專利名稱：共振增強(qiáng)鉆探的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鉆探裝置，并具體涉及用于在如巖層的材料內(nèi)鉆探的鉆探裝置。
背景技術(shù)：
在巖石和其它材料上鉆探的領(lǐng)域促成了鉆探技術(shù)中的許多發(fā)展。在這一點(diǎn)上，這類鉆探涉及到惡劣嚴(yán)酷的條件以及鉆探成本和相關(guān)的環(huán)境問(wèn)題，由于這些原因，對(duì)鉆探方法的有效性、可靠性以及安全性有嚴(yán)格的要求。因而，如石油工業(yè)等采用井下鉆探的工業(yè)熱衷于研發(fā)滿足這些需求并能夠增加鉆·探速度且減小工具磨損的鉆探裝置和方法。關(guān)于這一點(diǎn)，石油工業(yè)越來(lái)越需要鉆探偏斜的或水平的長(zhǎng)距離油井(long-reachwell)以獲取新的石油儲(chǔ)備。然而，這種鉆探進(jìn)一步引入挑戰(zhàn)現(xiàn)有鉆探技術(shù)的幾個(gè)問(wèn)題，如需要低鉆壓、減小的功率可用性、沿油井長(zhǎng)度的巖石條件的可變性、井眼坍塌/裂紋的危險(xiǎn)、增加的升降成本以及增加的工具磨損與故障。已知的是，當(dāng)鉆頭經(jīng)過(guò)要被鉆探的材料時(shí)，可以通過(guò)對(duì)鉆頭施加往復(fù)的軸向運(yùn)動(dòng)來(lái)提高在具體狀況下的鉆探速度，這被稱為沖擊鉆探。這是因?yàn)檫@些軸向運(yùn)動(dòng)的沖擊促進(jìn)被鉆探材料的破裂，并由此使后續(xù)的鉆探和材料的移除更加容易。在傳統(tǒng)沖擊鉆探中，侵徹機(jī)理(penetration mechanism)是基于通過(guò)由鉆頭施加的大的低頻非控沖擊來(lái)破裂井眼內(nèi)材料。與標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)鉆探相比，這種方式可增加對(duì)中等或硬巖石的鉆探速率。然而，這種方式的缺點(diǎn)在于，這些沖擊危害井眼的穩(wěn)定性，降低井眼質(zhì)量并引起加速的、有時(shí)是災(zāi)難性的工具磨損和/或故障。鉆探技術(shù)的另一個(gè)重要發(fā)展是對(duì)旋轉(zhuǎn)鉆頭施加超聲波軸向振動(dòng)。通過(guò)這種方式，使用超聲波振動(dòng)而非單純的高載荷沖擊來(lái)促使破裂傳播。與采用較低載荷的傳統(tǒng)沖擊鉆探相比，這種方式可提供顯著的進(jìn)步，并允許低鉆壓鉆探。然而，超聲波鉆探展現(xiàn)的改進(jìn)不總是一致的，并且不總是可直接適用于井眼鉆探。因此，本發(fā)明的目的是提供試圖緩解上述問(wèn)題的鉆探設(shè)備和方法。

發(fā)明內(nèi)容
依照本發(fā)明的第一方面，提供了一種鉆探設(shè)備，其包含鉆頭，該鉆頭能夠旋轉(zhuǎn)并承受高頻振蕩載荷；以及控制裝置，其用于控制鉆頭的應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)載荷和/或振蕩載荷，該控制裝置具有用于改變所述應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)載荷和/或振蕩載荷的調(diào)節(jié)裝置，所述調(diào)節(jié)裝置響應(yīng)鉆機(jī)經(jīng)過(guò)的材料的條件；其中控制裝置在使用時(shí)被提供在位于井下位置的設(shè)備上，并且包括用于對(duì)材料特性進(jìn)行井下測(cè)量的傳感器，其中該設(shè)備在閉環(huán)實(shí)時(shí)控制下可在井下操作。
通過(guò)這種方式，該鉆探設(shè)備可以響應(yīng)當(dāng)前鉆探條件來(lái)自主實(shí)現(xiàn)功能并調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)載荷和/或振蕩載荷，從而優(yōu)化鉆探機(jī)理并獲得改善的鉆探速度。優(yōu)選地，控制裝置控制鉆頭沖擊材料，從而產(chǎn)生第一組大(macro)裂紋，控制裝置進(jìn)一步控制鉆頭旋轉(zhuǎn)并在另一個(gè)時(shí)機(jī)沖擊材料，從而產(chǎn)生另一組大裂紋，其中控制裝置使鉆頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和振蕩運(yùn)動(dòng)同步，用以促使由此產(chǎn)生的裂紋相互連接，從而在鉆頭前面建立局部動(dòng)態(tài)裂紋傳播區(qū)域。傳統(tǒng)地，調(diào)節(jié)裝置控制所述鉆頭的應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)載荷和振蕩載荷，從而實(shí)現(xiàn)并保持鉆頭和與鉆頭接觸的被鉆材料之間的共振。在包含鉆頭和被鉆材料的系統(tǒng)中的這種共振使驅(qū)動(dòng)鉆頭所需的能量輸入最小化。這樣，在鉆頭前面的材料內(nèi)的裂紋傳播被加強(qiáng)，這使鉆探動(dòng)作更加簡(jiǎn)單并由此增加了鉆探速率。依照本發(fā)明的第二方面，提供了一種連同鉆探設(shè)備一起使用的鉆頭控制方法，所 述鉆探設(shè)備包含鉆頭，該鉆頭能夠應(yīng)用振蕩載荷和旋轉(zhuǎn)載荷；控制裝置，其用于控制鉆頭的應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)載荷和/或振蕩載荷，該控制裝置具有用于改變所述應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)載荷和/或振蕩載荷的調(diào)節(jié)裝置，所述調(diào)節(jié)裝置響應(yīng)鉆機(jī)經(jīng)過(guò)的材料的條件；所述調(diào)節(jié)裝置進(jìn)一步控制鉆頭的所述應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)載荷和振蕩載荷，從而實(shí)現(xiàn)并保持鉆頭和與鉆頭接觸的被鉆材料之間的共振。優(yōu)選地，為了實(shí)現(xiàn)并保持鉆頭和與鉆頭接觸的被鉆材料之間的共振，所述方法進(jìn)一步包括依照下列步驟為鉆頭確定適當(dāng)?shù)妮d荷參數(shù)A)當(dāng)鉆頭與被鉆材料共振并交互作用時(shí)，確定鉆頭的振幅極限；B)估計(jì)適當(dāng)?shù)念l率掃描范圍以加載所述鉆頭；C)估計(jì)共振曲線的形狀；D)在共振曲線上的一點(diǎn)處選擇最優(yōu)共振頻率，該最優(yōu)共振頻率小于共振曲線上的最大值；以及E)基于這一最優(yōu)共振頻率驅(qū)動(dòng)鉆頭。在這種連接下，在鉆頭的振幅上限選擇在鉆頭的共振不會(huì)變得有破壞性的數(shù)值處。超過(guò)這一極限，存在一種可能性，即鉆頭將開始具有毀壞作用。關(guān)于估計(jì)適當(dāng)?shù)念l率掃描范圍，其被優(yōu)選地選擇以便適當(dāng)?shù)恼秶杀辉u(píng)價(jià)并由此用來(lái)加速方法的余項(xiàng)。共振曲線的形狀基于鉆頭自身的基本共振曲線，其被修改以考慮到與被鉆材料的交互作用。在這點(diǎn)上，在這條曲線上選擇的點(diǎn)處于小于最大值點(diǎn)的點(diǎn)處，從而避免鉆機(jī)超調(diào)(overshoot)所述最大值并移動(dòng)到不穩(wěn)定/不可預(yù)知的范圍。依照本發(fā)明的第三方面，提供了一種通過(guò)材料鉆探的方法，所述方法使用能夠承受旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及高頻振蕩運(yùn)動(dòng)的鉆頭，其中鉆頭被配置以沖擊材料，從而產(chǎn)生第一組大裂紋，鉆頭之后旋轉(zhuǎn)并在另一個(gè)時(shí)機(jī)沖擊材料，從而產(chǎn)生另一組大裂紋，并且其中鉆頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和振蕩運(yùn)動(dòng)是同步的以促使由此產(chǎn)生的大裂紋相互連接，從而在鉆頭前面建立局部動(dòng)態(tài)裂紋傳播區(qū)域。優(yōu)選地，所述方法用于鉆探巖層情況，并且所形成的大裂紋具有最大IOmm的長(zhǎng)度，優(yōu)選大約5mm。這種最大長(zhǎng)度允許裂紋傳播區(qū)域的范圍被高度控制。
便利地，最高IkHz的高頻振蕩被施加到鉆頭。優(yōu)選地,鉆頭被驅(qū)動(dòng)以旋轉(zhuǎn)高達(dá)200rpm。優(yōu)選地，鉆頭上的應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)載荷和振蕩載荷被控制，從而保持鉆頭和與鉆頭接觸的被鉆材料之間的共振?？梢钥闯鲈谶@種共振條件下，建立傳播破裂區(qū)域需要較少的應(yīng)用能量輸入。便利地，傳播破裂區(qū)域從鉆頭的外緣徑向地向外擴(kuò)展不超過(guò)鉆頭直徑的1/20。可以看出這表現(xiàn)出高度受控的局部破裂技術(shù),其最小化被鉆材料的整體應(yīng)力。優(yōu)選地，在巖層鉆探條件下，被鉆的鉆屑的尺寸最大為IOmm,優(yōu)選為5mm。與傳統(tǒng)鉆探技術(shù)產(chǎn)生的鉆屑相比這些鉆屑是小的，并且說(shuō)明了所采用方法中的階躍變化。優(yōu)選地，本方法可用于淺層油氣、薄弱區(qū)以及破裂的高壓區(qū)鉆探應(yīng)用中的一種或多種。做為本發(fā)明方法的結(jié)果，這提高了使用高度受控的局部破裂技術(shù)鉆探井眼的能力，該 技術(shù)最小化被鉆材料內(nèi)的整體應(yīng)力。依照本發(fā)明的第四方面，提供了一種鉆頭組件，其包含鉆柱，其具有鉆桿和鉆環(huán)；鉆頭，其能夠承受高頻振蕩載荷和旋轉(zhuǎn)載荷；控制裝置，其被提供在井下使用以控制鉆頭的應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)載荷和/或振蕩載荷，該控制裝置具有用于改變所述應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)載荷和/或振蕩載荷的調(diào)節(jié)裝置，所述調(diào)節(jié)裝置響應(yīng)鉆機(jī)經(jīng)過(guò)的材料的條件，其中每米鉆柱的重量最高比用于相同鉆探條件的具有相同井眼直徑的傳統(tǒng)鉆柱的重量小70%。便利地，每米鉆柱的重量比用于相同鉆探條件的具有相同井眼直徑的傳統(tǒng)鉆柱的重量小40%至70%。優(yōu)選地，每米鉆柱的重量基本比用于相同鉆探條件的具有相同井眼直徑的傳統(tǒng)鉆柱的重量小70%。這樣，鉆探設(shè)備可以響應(yīng)當(dāng)前鉆探條件來(lái)調(diào)節(jié)鉆頭的旋轉(zhuǎn)載荷和/或振蕩載荷，從而優(yōu)化鉆探機(jī)理并獲得改進(jìn)的鉆探速度。便利地，該調(diào)節(jié)裝置控制鉆頭的所述應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)載荷和振蕩載荷，從而保持包含鉆頭和被鉆材料的系統(tǒng)的共振。共振現(xiàn)象增強(qiáng)了鉆頭前面的材料內(nèi)的裂紋的轉(zhuǎn)播，使鉆探動(dòng)作更加簡(jiǎn)單并由此增加了鉆探速度。在這一點(diǎn)上，應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)載荷和振蕩載荷基于被鉆地層的預(yù)測(cè)共振。優(yōu)選地，鉆頭被配置來(lái)沖擊材料，從而產(chǎn)生第一組大裂紋，鉆頭進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)并在進(jìn)一步時(shí)機(jī)沖擊材料，從而產(chǎn)生另一組大裂紋，并且其中控制裝置使鉆頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和振蕩運(yùn)動(dòng)同步，用以促使所產(chǎn)生的大裂紋相互連接，從而在鉆頭前面建立局部動(dòng)態(tài)裂紋傳播區(qū)域。傳統(tǒng)地，調(diào)節(jié)裝置確定鉆頭載荷參數(shù)以通過(guò)以下算法來(lái)建立鉆頭和被鉆材料之間的共振條件A)計(jì)算不受被鉆材料影響的鉆頭的非線性共振響應(yīng)；B)估計(jì)沖擊強(qiáng)度以在被鉆材料內(nèi)產(chǎn)生傳播破裂區(qū)域；C)計(jì)算破裂的被鉆材料的非線性硬度特性；D)估計(jì)與被鉆材料交互作用的鉆頭的共振頻率；以及
E)通過(guò)合并破裂的被鉆材料的非線性硬度特性來(lái)重新計(jì)算穩(wěn)定狀態(tài)下的共振頻率值。在這一點(diǎn)上，所述應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)載荷和振蕩載荷基于被鉆地層的預(yù)測(cè)共振。
便利地，所述算法確定未知的非線性響應(yīng)函數(shù)。便利地，該算法基于非線性動(dòng)態(tài)分析，其中通過(guò)模擬技術(shù)與數(shù)字技術(shù)的結(jié)合，對(duì)共振條件下的鉆頭和被鉆地層之間的動(dòng)態(tài)交互作用進(jìn)行建模。便利地，調(diào)節(jié)裝置更新控制裝置以改變應(yīng)用的鉆探參數(shù)，從而隨鉆探的進(jìn)行保持與鉆頭即刻接觸的巖層的共振。便利地，對(duì)于鉆探通過(guò)軟地層，調(diào)節(jié)裝置可以選擇性地停止鉆頭的振蕩載荷。這樣，當(dāng)通過(guò)軟地層鉆探時(shí)，振動(dòng)可以被停止，從而允許以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的剪切模式有效地鉆探，并且更重要地消除了在硬地層和軟地層之間交換鉆頭的需要。依照本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種鉆探材料的方法，其包含以下步驟通過(guò)鉆頭應(yīng)用振蕩載荷和旋轉(zhuǎn)載荷；監(jiān)視在材料與鉆頭的接觸面處的材料特性；確定在其與鉆頭的接觸面處的巖層的共振頻率的值；以及調(diào)節(jié)應(yīng)用的振蕩載荷和/或旋轉(zhuǎn)載荷，從而保持在與鉆頭的接觸面處的巖層的共振頻率。便利地，所述方法進(jìn)一步包含的步驟是，應(yīng)用非線性動(dòng)態(tài)分析的算法從而確定材料在其與鉆頭接觸面處的共振頻率。便利地，該運(yùn)算具有下列功能I)計(jì)算不受被鉆材料影響的鉆頭的非線性共振響應(yīng)；2)估計(jì)沖擊強(qiáng)度以在被鉆材料內(nèi)產(chǎn)生傳播破裂區(qū)域；3)計(jì)算破裂的被鉆材料的非線性硬度特性；4)估計(jì)與被鉆材料交互作用的鉆頭的共振頻率；以及5)通過(guò)合并破裂的被鉆材料的非線性硬度特性來(lái)重新計(jì)算穩(wěn)定狀態(tài)的共振頻率值。


現(xiàn)在將通過(guò)參考附圖來(lái)描述本發(fā)明的示例，其中圖I顯示依照本發(fā)明實(shí)施例的鉆探模塊；以及圖2用繪圖說(shuō)明怎樣依照本發(fā)明實(shí)施例找到用于建立共振條件的參數(shù)。
具體實(shí)施例方式在本發(fā)明的發(fā)展中，已經(jīng)意識(shí)到，如果鉆頭的載荷被設(shè)置為促使由鉆頭和被鉆地層形成的系統(tǒng)的共振，那么在通過(guò)如巖層的材料鉆探時(shí)可達(dá)到特別高的鉆探速率。然而，雖然使用標(biāo)準(zhǔn)樣品在測(cè)試鉆探平臺(tái)上可獲得這種共振，但當(dāng)通過(guò)天然巖層鉆探時(shí)卻出現(xiàn)不同情況。這是因 為地層內(nèi)不同層之間的鉆探條件是變化的。因此，貫穿地層的共振條件是變化的，并因此在整個(gè)鉆探過(guò)程中不能保持共振條件。本發(fā)明通過(guò)在鉆探通過(guò)材料時(shí)識(shí)別非線性共振現(xiàn)象來(lái)克服這一問(wèn)題，并試圖保持由鉆頭和被鉆材料組合的系統(tǒng)中的共振。為了達(dá)到這一目的，通過(guò)精確地識(shí)別影響鉆探的參數(shù)和機(jī)理，申請(qǐng)人開發(fā)了精確并完善的井眼內(nèi)動(dòng)態(tài)交互作用的數(shù)學(xué)模型。這個(gè)數(shù)學(xué)模型允許本發(fā)明計(jì)算并使用反饋機(jī)理以自動(dòng)地調(diào)節(jié)鉆探參數(shù)，從而保持井眼位置處的共振。通過(guò)以這種方法保持共振，鉆頭前面的傳播裂紋區(qū)域的活動(dòng)被增強(qiáng)而且鉆探速度被顯著提高，并因此可被描述為共振增強(qiáng)鉆探(下文稱為RED)。圖I顯示了依照本發(fā)明實(shí)施例的RED鉆探模塊的說(shuō)明性示例。鉆探模塊裝配有多晶金剛石(PCD)鉆頭I。振動(dòng)轉(zhuǎn)送部分2，其使得鉆頭I連接壓電式換能器3，從而將來(lái)自換能器的振動(dòng)傳送到鉆頭I。連接器4使模塊連接到鉆柱5并作為振動(dòng)隔離單元將鉆探模塊的振動(dòng)與軸隔尚。在鉆探操作期間，DC電機(jī)旋轉(zhuǎn)鉆軸，其通過(guò)部分4和部分3傳遞運(yùn)動(dòng)到鉆頭I。被施加到鉆頭I的相對(duì)低的靜態(tài)力與動(dòng)態(tài)載荷一同產(chǎn)生傳播破裂區(qū)域，這樣鉆頭通過(guò)材料前進(jìn)。同時(shí)，當(dāng)鉆探模塊I旋轉(zhuǎn)時(shí)，壓電式換能器3被激活以在適合于井眼位置處材料的 頻率下振動(dòng)。依照以下算法，通過(guò)計(jì)算鉆頭和被鉆材料之間的非線性共振條件來(lái)確定這個(gè)頻率，其在圖2中簡(jiǎn)略顯示I)計(jì)算不受被鉆材料影響的鉆頭的非線性共振響應(yīng)；2)估計(jì)沖擊強(qiáng)度以在被鉆材料內(nèi)產(chǎn)生傳播破裂區(qū)域；3)計(jì)算破裂的被鉆材料的非線性硬度特性；4)估計(jì)與被鉆材料交互作用的鉆頭的共振頻率；以及5)通過(guò)合并破裂的被鉆材料的非線性硬度特性來(lái)重新計(jì)算穩(wěn)定狀態(tài)的共振頻率的值。來(lái)自壓電式換能器3的振動(dòng)通過(guò)鉆頭I轉(zhuǎn)送到井眼位置并在鉆頭前面材料內(nèi)建立傳播裂紋區(qū)域。由于鉆頭繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并向前移動(dòng)，其剪切地層內(nèi)的材料，并切入該材料。然而，鉆頭前面地層材料內(nèi)的傳播裂紋區(qū)域的建立顯著地減弱了材料，這意味著旋轉(zhuǎn)剪切動(dòng)作除去更多材料，這些材料隨后被移除。裂紋傳播動(dòng)態(tài)特性可以用于優(yōu)化R0P、井眼質(zhì)量以及工具壽命，或者理想地這三者的結(jié)合。由于沖擊地層的鉆頭的插入，裂紋開始產(chǎn)生。其他鉆探技術(shù)通過(guò)刮削或剪切巖石或通過(guò)產(chǎn)生更大的裂紋來(lái)操作。下文是就操作裝置而言的RED系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，并關(guān)注于鉆頭前面的緊鄰處的“大”裂紋的產(chǎn)生與傳播。RED通過(guò)鉆探頭部的高頻軸向振蕩來(lái)操作，該振蕩沖擊材料并且鉆頭的成角狀的幾何構(gòu)型插入材料中的初始裂紋。鉆頭的繼續(xù)操作，即繼續(xù)振蕩和繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，建立了鉆頭前面的動(dòng)態(tài)裂紋傳播區(qū)域。這種現(xiàn)象可以最佳地描述為同步運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)(系統(tǒng)包含被鉆材料、(振蕩器)和鉆頭)內(nèi)共振的建立優(yōu)化了效率和性能。動(dòng)態(tài)裂紋傳播區(qū)域在鉆頭的局部并且其線性尺度一般地不超過(guò)鉆頭直徑的1/10。由于局部裂紋傳播的定向性，其是可控的，并且RED技術(shù)避免了直接在鉆頭前面區(qū)域的外面的裂紋傳播。因此，RED可得到高質(zhì)量的準(zhǔn)確計(jì)量的井眼。由于RED技術(shù)的“靈敏性”，其能夠使用高可控局部裂紋來(lái)鉆探井眼并最小化地層內(nèi)的整體應(yīng)力，RED技術(shù)將很好地適用于鉆探具有挑戰(zhàn)性區(qū)域內(nèi)的敏感地層，如淺層油氣、薄弱區(qū)以及破裂的高壓區(qū)域。依照上文，本發(fā)明可以保持整個(gè)鉆探操作期間的共振，允許材料從井眼位置處的地層更快地除去，并因此實(shí)現(xiàn)更高的鉆探速度。此外，共振運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用促進(jìn)裂紋傳播從而允許更低的重量被施加到鉆頭，這導(dǎo)致了更少的工具磨損。這樣，本發(fā)明不僅提供了增加的穿透速度(R0P)，還允許增加的工具壽命，并且由此減少了工具保養(yǎng)或更換所需的停工時(shí)間。一旦被鉆材料機(jī)械特性是已知的，(根據(jù)R0P、井眼質(zhì)量和工具壽命及可靠性)鉆探參數(shù)可被修改以優(yōu)化鉆探的性能。就RED技術(shù)而言，振蕩的頻率和振幅可以被修改以建立最有效率和效果的性能。振蕩系統(tǒng)共振(在(振蕩器)、鉆頭和被鉆地層之間)的建立提供了能量效率和鉆探性能的最優(yōu)組合。
圖2用繪圖說(shuō)明怎樣找到用于建立并保持共振條件的參數(shù)。首先，需要確定在與被鉆材料共振和交互作用時(shí)鉆頭的振幅極限。就此而論，鉆頭的振幅極限被選擇在一個(gè)值，在該值處鉆頭的共振不會(huì)變得有破壞性。超過(guò)這一極限，共振有可能開始具有破壞作用。然后，用于加載鉆頭的適當(dāng)頻率掃描范圍被估計(jì)。其被估計(jì)，從而適當(dāng)?shù)恼秶梢员辉u(píng)價(jià)，然后其可以用于加速方法的剩余步驟。然后，共振曲線的形狀被估計(jì)。如圖所見(jiàn)，這是標(biāo)準(zhǔn)的共振曲線，由于鉆頭與被鉆材料的交互作用，該共振曲線的頂部被推向右側(cè)?？梢宰⒁獾?，由于該圖具有上分支和下分支，在超過(guò)最大振幅的曲線上繼續(xù)前進(jìn)的結(jié)果是從上分支到下分支的振幅急劇跌落。這樣，為了避免這種不希望的急劇變化，下一個(gè)步驟是在共振曲線上選擇最優(yōu)頻率，該最優(yōu)頻率小于共振曲線上的最大值。低于最大值選擇最優(yōu)共振頻率的限制設(shè)置了安全系數(shù)，并且對(duì)于可變/變化鉆探材料，這個(gè)系數(shù)可以從最大振幅點(diǎn)進(jìn)一步選擇?；谶@一點(diǎn)，依靠被鉆材料或鉆探過(guò)程的傳感特性，控制裝置可以更改安全系數(shù)，即移離或移向共振曲線上的最大值點(diǎn)。例如，如果ROP由于被鉆材料的低一致性而不規(guī)則地變化，那么安全系數(shù)可以被增加。最后，設(shè)備在所選最優(yōu)共振頻率下被驅(qū)動(dòng)，并且該過(guò)程在控制裝置的閉環(huán)操作系統(tǒng)內(nèi)周期地更新。通過(guò)本發(fā)明，每米鉆柱的重量可以最高比用于相同鉆探條件下的使用相同井眼直徑工作的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)柱的每米鉆柱重量小70%。優(yōu)選地，其在小40%到70%的范圍內(nèi)，或更優(yōu)選地其基本小70%。例如，在標(biāo)準(zhǔn)鉆探條件下，并且鉆探深度是12，500英尺(3787米)，井眼尺寸為12又1/4英寸(O. 31米)時(shí),每米鉆柱重量從38. 4kg/m (標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)鉆探)減小到11. 7kg/m (使用RED技術(shù))——減小了 69. 6%。在標(biāo)準(zhǔn)鉆探條件下，并且鉆探深度是12，500英尺(3787米)，井眼尺寸為17又1/2英寸(O. 44米)時(shí),每米鉆柱重量從49. Okg/m (標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)鉆探)減小到14. 7kg/m (使用RED技術(shù))——減小了 70%。在標(biāo)準(zhǔn)鉆探條件下，并且鉆探深度是12，500英尺(3787米)，井眼尺寸為26英寸(O. 66米)時(shí)，每米鉆柱重量從77. Okg/m (標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)鉆探)減小到23. lkg/m (使用RED技術(shù))——減小了 70%。由于其產(chǎn)生的低WOB (鉆壓)和動(dòng)態(tài)破裂，RED技術(shù)可以節(jié)省鉆探平臺(tái)高達(dá)35%的能量消耗并減輕高達(dá)75%的鉆環(huán)重量?？梢粤私猓疚乃f(shuō)明的實(shí)施例僅以說(shuō)明目的顯示本發(fā)明的應(yīng)用。在實(shí)踐中，本發(fā)明可以采用多種不同的配置；對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言詳細(xì)的實(shí)施例是簡(jiǎn)單的可實(shí)施的。例如，模塊的鉆頭部分可以依照特定的鉆探應(yīng)用而修改。例如，不同的鉆頭幾何構(gòu)型和鉆頭材料可以被使用。
在另一個(gè)示例，其他振動(dòng)裝置可以被用于替換用于振動(dòng)鉆探模塊的壓電式換能器。例如，可以使用磁致伸縮材料。此外，同樣設(shè)想，當(dāng)通過(guò)軟地層鉆探時(shí)，振動(dòng)裝置可以被停止以避免反作用。例如，在通過(guò)上層軟沙地層的初步鉆探時(shí)本發(fā)明的鉆探模塊可以被停止，從而(僅)起到旋轉(zhuǎn)鉆探模塊的作用。然后，一旦達(dá)到更深的硬巖石層時(shí)，鉆探模塊可以被啟動(dòng)以應(yīng)用共振頻率。這樣通過(guò)消除在這些不同地層之間轉(zhuǎn)換鉆探模塊所必須的檢修時(shí)間來(lái)提供可觀的時(shí)間節(jié)省。本發(fā)明提供下述益處即鉆探具有更低的能量輸入、提高的穿透速度(R0P)、改進(jìn)的井眼穩(wěn)定性和質(zhì)量以及改進(jìn)的工具壽命和可靠性。
權(quán)利要求
1.一種鉆探模塊，其包括旋轉(zhuǎn)鉆頭(I);振蕩器，其被配置為將最高IkHz的高頻軸向振蕩載荷施加到所述旋轉(zhuǎn)鉆頭；連接所述旋轉(zhuǎn)鉆頭和所述振蕩器的振動(dòng)傳送部分，所述振動(dòng)傳送部分被配置為將來(lái)自所述振蕩器的所述高頻軸向振蕩載荷傳送到所述旋轉(zhuǎn)鉆頭；用于將所述鉆探模塊連接到鉆柱的振動(dòng)隔離單元，所述振動(dòng)隔離單元被配置為將所述聞?lì)l軸向振蕩載荷與所述鉆柱隔尚;用于進(jìn)行井下測(cè)量的傳感器；以及控制器，其被配置為通過(guò)利用來(lái)自所述傳感器的井下測(cè)量在閉環(huán)實(shí)時(shí)控制下進(jìn)行井下操作，以便通過(guò)響應(yīng)于所述旋轉(zhuǎn)鉆頭經(jīng)過(guò)的材料的條件改變所述高頻軸向振蕩載荷而控制所述振蕩器，從而建立并保持所述振蕩器、所述旋轉(zhuǎn)鉆頭與所述旋轉(zhuǎn)鉆頭經(jīng)過(guò)的材料之間的振蕩系統(tǒng)共振，由此所述高頻軸向振蕩載荷足以在所述旋轉(zhuǎn)鉆頭經(jīng)過(guò)的材料中開始產(chǎn)生裂紋。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鉆探模塊，其中所述控制器被配置為掃描一頻率范圍以評(píng)估所述旋轉(zhuǎn)鉆頭經(jīng)過(guò)的材料的條件，從而建立并保持振蕩系統(tǒng)共振。
3.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的鉆探模塊，其中所述振蕩器被配置為基于所述旋轉(zhuǎn)鉆頭的基本共振曲線施加高頻軸向振蕩載荷，并修改所述高頻軸向振蕩載荷以考慮到與被鉆材料的交互作用。
4.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的鉆探模塊，其中所述控制器被配置為依照下列步驟為所述旋轉(zhuǎn)鉆頭確定適當(dāng)?shù)妮d荷參數(shù)，以便實(shí)現(xiàn)并保持振蕩系統(tǒng)共振A)當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)鉆頭與被鉆材料共振并交互作用時(shí)，確定所述旋轉(zhuǎn)鉆頭的振幅極限；B)估計(jì)適當(dāng)?shù)念l率掃描范圍以加載所述鉆頭；C)估計(jì)共振曲線的形狀；D)在所述共振曲線上的一點(diǎn)處選擇最優(yōu)共振頻率，該最優(yōu)共振頻率小于所述共振曲線上的最大值；以及E)基于這一最優(yōu)共振頻率驅(qū)動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)鉆頭。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的鉆探模塊，其中所述控制器被配置為響應(yīng)于當(dāng)前鉆探條件自主調(diào)節(jié)所述旋轉(zhuǎn)鉆頭的旋轉(zhuǎn)載荷和高頻軸向振蕩載荷。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鉆探模塊，其中所述控制器被配置為控制所述旋轉(zhuǎn)鉆頭沖擊所述旋轉(zhuǎn)鉆頭經(jīng)過(guò)的材料以產(chǎn)生第一組大裂紋，所述控制器被進(jìn)一步配置為控制所述旋轉(zhuǎn)鉆頭旋轉(zhuǎn)并在另一個(gè)時(shí)機(jī)沖擊所述材料以產(chǎn)生另一組大裂紋，所述控制器被配置為使所述旋轉(zhuǎn)鉆頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和振蕩運(yùn)動(dòng)同步以便促使由此產(chǎn)生的所述大裂紋相互連接，從而在所述旋轉(zhuǎn)鉆頭前面建立局部動(dòng)態(tài)裂紋傳播區(qū)域。
7.一種用于控制包括旋轉(zhuǎn)鉆頭和振蕩器的共振增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)鉆探設(shè)備的方法，所述振蕩器用于將最高IkHz的高頻軸向振蕩載荷施加到所述旋轉(zhuǎn)鉆頭，所述方法包括將高頻軸向振蕩載荷施加到所述旋轉(zhuǎn)鉆頭；進(jìn)行井下測(cè)量；通過(guò)利用所述井下測(cè)量在閉環(huán)實(shí)時(shí)控制下在井下控制所施加的高頻軸向振蕩載荷，以便響應(yīng)于所述旋轉(zhuǎn)鉆頭經(jīng)過(guò)的材料的條件改變所述高頻軸向振蕩載荷，從而建立并保持所述振蕩器、所述旋轉(zhuǎn)鉆頭與所述旋轉(zhuǎn)鉆頭經(jīng)過(guò)的材料之間的振蕩系統(tǒng)共振，由此所述高頻軸向振蕩載荷足以在所述旋轉(zhuǎn)鉆頭經(jīng)過(guò)的材料中開始產(chǎn)生裂紋。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其進(jìn)一步包括掃描一頻率范圍以評(píng)估所述旋轉(zhuǎn)鉆頭經(jīng)過(guò)的材料的條件，從而建立并保持振蕩系統(tǒng)共振。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其中基于所述旋轉(zhuǎn)鉆頭的基本共振曲線施加所述高頻軸向振蕩載荷，并且所述高頻軸向振蕩載荷被修改以考慮到與被鉆材料的交互作用。
10.根據(jù)權(quán)利要求7-9中任一項(xiàng)所述的方法，其進(jìn)一步包括依照下列步驟為所述旋轉(zhuǎn)鉆頭確定適當(dāng)?shù)妮d荷參數(shù)，以便實(shí)現(xiàn)并保持振蕩系統(tǒng)共振A)當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)鉆頭與被鉆材料共振并交互作用時(shí)，確定所述旋轉(zhuǎn)鉆頭的振幅極限；B)估計(jì)適當(dāng)?shù)念l率掃描范圍以加載所述鉆頭；C)估計(jì)共振曲線的形狀；D)在所述共振曲線上的一點(diǎn)處選擇最優(yōu)共振頻率，該最優(yōu)共振頻率小于所述共振曲線上的最大值；以及E)基于這一最優(yōu)共振頻率驅(qū)動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)鉆頭。
11.根據(jù)權(quán)利要求7-10中任一項(xiàng)所述的方法，其中響應(yīng)于當(dāng)前鉆探條件自主調(diào)節(jié)所述旋轉(zhuǎn)鉆頭的旋轉(zhuǎn)載荷和高頻軸向振蕩載荷。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述旋轉(zhuǎn)鉆頭被控制以便沖擊所述旋轉(zhuǎn)鉆頭經(jīng)過(guò)的材料以產(chǎn)生第一組大裂紋，而且旋轉(zhuǎn)并在另一個(gè)時(shí)機(jī)沖擊所述材料以產(chǎn)生另一組大裂紋，所述旋轉(zhuǎn)鉆頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和振蕩運(yùn)動(dòng)被同步以便促使由此產(chǎn)生的所述大裂紋相互連接，從而在所述旋轉(zhuǎn)鉆頭前面建立局部動(dòng)態(tài)裂紋傳播區(qū)域。
13.—種控制設(shè)備，其被配置為當(dāng)安裝在如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的鉆探模塊中時(shí)執(zhí)行如權(quán)利要求7-12中任一項(xiàng)所述的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及鉆探設(shè)備，其包含鉆頭(1)，該鉆頭能夠旋轉(zhuǎn)并承受高頻振蕩載荷；以及控制裝置，其用于控制應(yīng)用到鉆頭的旋轉(zhuǎn)載荷和/或振蕩載荷，該控制裝置具有調(diào)節(jié)裝置，該調(diào)節(jié)裝置用于改變所應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)載荷和/或振蕩載荷，該調(diào)節(jié)裝置響應(yīng)鉆機(jī)經(jīng)過(guò)的材料的條件。所使用的控制裝置被提供在位于井下位置的設(shè)備上，并且包括用于對(duì)材料特性進(jìn)行井下測(cè)量的傳感器，其中該設(shè)備在閉環(huán)實(shí)時(shí)控制下可在井下操作。該設(shè)備可為鉆頭確定適當(dāng)?shù)妮d荷參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)并保持鉆頭和與鉆頭接觸的被鉆材料之間的共振。
文檔編號(hào)E21B7/24GK102926662SQ201210391288
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2007年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月9日
發(fā)明者M·維爾茨哥魯齊 申請(qǐng)人:阿伯丁大學(xué)大學(xué)評(píng)議會(huì)